Wasserstoff als Kraftstoff: eine Alternative zu den fossilen Kraftstoffen?

Alternativen zu fossilen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel sind heute gefragt. Dazu gehört auch der Wasserstoff, der gegenüber den mit Batterien betriebenen Elektrofahrzeugen einige Vorteile bietet wie etwa die höhere Reichweite und die schnelle Betankung der Fahrzeuge. Allerdings ist es noch ein weiter Weg zum konventionell genutzten Wasserstofffahrzeug.

Die Mobilität mithilfe von Wasserstoff

Auf den ersten Blick scheinen elektrisch betriebene Fahrzeuge einige Vorteile im Hinblick auf den Wirkungsgrad zu haben, wenn man sie mit klassisch angetriebenen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren vergleicht. Aber auch die Elektrofahrzeuge, die heute immer mehr im Kommen sind, haben einige Nachteile wie etwa die lange Ladezeit und die noch relativ geringe Reichweite. Diese Nachteile könnten durch den Wasserstoff als Kraftstoff eliminiert werden. So lässt sich ein mit Wasserstoff betriebener Pkw fast genauso schnell betanken wie ein herkömmlicher Benzin- oder Diesel-Pkw. Auch die Reichweite ist deutlich besser als die von momentan auf dem Markt befindlichen Elektrofahrzeugen. Einziger Stolperstein ist momentan noch das relativ schwach ausgeprägte Tankstellennetz für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge. Diese Tatsache ist sicherlich auf die noch relativ geringe Verbreitung von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen zurückzuführen. Nur ein winzig kleiner Bruchteil der momentan im Verkehr befindlichen Fahrzeuge sind mit H2 betriebene Pkws.

Der Wasserstoff als Antrieb für Nutzfahrzeuge

Ein weiteres, sehr wichtiges Anwendungsgebiet ist der Personennahverkehr, der Straßenschwerlastverkehr und sogar die Schienenfahrzeuge, die in Zukunft von einem Antrieb mit Wasserstoff profitieren könnten. Es gibt bereits heute zahlreiche regional geförderte Projekte, darunter solche mit Wasserstoffbussen, die recht viel versprechend sind. Vor allem zeichnet diese Antriebsart sich durch eine bislang relativ gute Reichweite und einen deutlich geringeren Verbrauch aus, zumindest im direkten Vergleich mit den klassischen Dieselvarianten. Auch der Bereich schwerer Nutzfahrzeuge ist ein interessantes Anwendungsfeld, schließlich erreichen die mit einem Brennstoffzellenantrieb versehenen Fahrzeuge heute bereits Reichweiten von bis zu etwa 1000 Kilometern. Trotzdem besteht noch ein recht großer Bedarf an Verbesserungen, vor allem bei der Entwicklung des Wasserstoffantriebs und dessen Gewicht. Auf jeden Fall eignet sich der alternative Antrieb sehr gut dafür, die CO2-Emissionen deutlich zu senken und damit den Ausstoß von Schadstoffen in der Luft zu begrenzen.

E-Fuels: die Alleskönner

Synthetische Kraftstoffe sind heute gefragter denn je. Sie treiben verschiedene Verkehrsmittel wie Pkws und Lkws, Busse, Schiffe und sogar Flugzeuge an. Der Vorteil dabei: Sie entstehen immer häufiger auf der Basis Grünen Stroms und gelten damit als umweltfreundlicher und nachhaltiger als die fossilen Kraftstoffe. Das Prinzip ist überaus einfach: Mithilfe der Elektrolyse entsteht aus Wasser Wasserstoff und Sauerstoff. Es handelt sich hierbei um einen praktischen Ersatz für fossile Kraftstoffe, der mithilfe der Zugabe weiterer Stoffe quasi in synthetisches Diesel umgewandelt werden kann. Das Problem besteht darin, dass die entsprechenden Produktionsanlagen zumindest im Moment noch hauptsächlich auf dem Papier existieren. Aber bereits in Kürze sollen die ersten Anlagen aufgebaut werden. Alternative Kraftstoffe sollen in Zukunft die Treibhausemissionen durch den Verkehr deutlich minimieren. Immerhin geht es dabei um mehrere Millionen Tonnen an CO2, die eingespart werden sollen und können. Allerdings bleibt es abzuwarten, inwieweit die Produktion und der Einsatz dieser Kraftstoffe überhaupt effizient umgesetzt werden kann. Immerhin ist die Produktion dieser Kraftstoffe relativ teuer, außerdem rechnet man mit einem sehr begrenzten Potenzial in Deutschland. Zurückzuführen sind die Probleme hauptsächlich auf die Kosten der alternativen Treibstoffe, die deutlich höher als die von den klassischen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel sind.

Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor als Alternative

Ein mit Wasserstoff betriebener Verbrennungsmotor wandelt genauso wie ein herkömmlicher Verbrennungsmotor quasi die im Wasserstoff enthaltene Energie direkt in mechanische Arbeit und Wärme um. Die Verbrennung findet während der chemischen Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff statt, die auch als Knallgasreaktion bezeichnet wird. Die Verbrennung solcher Kraftstoffe in Form von Wasserstoff erfolgt entweder in einem Otto- oder in einem Dieselmotor. Die Funktion unterscheidet sich damit wesentlich vom Einsatz des Wasserstoffs in einem Brennstoffzellenfahrzeug. Die Technik ist nicht neu, bereits in den Anfangszeiten der Automobile entstanden die ersten Antriebe mit Wasserstoff, und auch später in den 1990er Jahren rüsteten einige Fahrzeughersteller unter anderem Busse mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren aus. Auch Pkws mit einem solchen Antrieb wurden in geringer Stückzahl gebaut. Das Problem dieser Fahrzeuge besteht in der Aufbewahrung des Wasserstoffs im Fahrzeug und den teilweise relativ hohen Verlusten bei der Betankung. Der Wasserstoff muss entweder verflüssigt oder sehr stark komprimiert aufbewahrt werden. Eine Alternative besteht in einer chemischen oder physikalischen Verbindung mit anderen Substanzen. Allerdings handelt es sich hierbei um noch um im Entwicklungsstadium befindliche Lagerungsarten. Es gibt aber noch ein weiteres Problem. Hierbei handelt es sich um die Isolationsverluste, die nicht ganz vermieden werden können. Bereits nach einigen Tagen kann ein nicht unerheblicher Anteil des Wasserstoffs verdampft sein.

Wie sieht es mit dem Versorgungsnetz aus?

Wenn Fahrzeuge mit einem Wasserstoff Verbrennungsmotor betrieben werden sollen, werden natürlich auch entsprechende Tankstellen benötigt. Ähnlich wie eine herkömmliche Tankstelle für Benzin oder Diesel verfügt diese über eine oder mehrere Zapfsäulen, über die der gasförmige Wasserstoff in die Fahrzeugtanks gelangt. Leider sind diese Tankstellen in Deutschland und auch in Europa zur Zeit noch sehr dünn gesät. In Deutschland beispielsweise gibt es zur Zeit noch weniger als 90 Tankstellen für den Wasserstoff, die rund um die Uhr zugänglich sind. Europaweit sieht es nicht viel besser aus: Insgesamt gibt es in ganz Europa ebenfalls nur eine sehr begrenzte Anzahl von etwa 110 Wasserstofftankstellen (Stand: Dezember 2019). Ein sehr großes Problem stellt die Lagerung des Wasserstoffs dar. Für die Bereitstellung entsprechender Tanks und Betankungseinrichtungen entstehen sehr hohe Kosten, wegen denen viele Projekte schon wieder aufgegeben wurden. Immerhin ist die Betankung alleine schon eine technische Herausforderung. Der Kraftstoff muss mit einem speziellen Verdichter auf einen Druck von bis zu 700 bar komprimiert werden. Durch den hohen Druck kann die Betankung des Fahrzeugs in nur wenigen Minuten erfolgen. Dennoch ist die Betankung in dieser kurzen Zeit nicht ganz unproblematisch, da durch den enormen Druck im Fahrzeugtank Wärme entsteht, die wiederum zu Beschädigungen des Wasserstofftanks führen kann.

Der Brennstoffzellenantrieb für Fahrzeuge

Ebenfalls schon seit einigen Jahren gibt es die Brennstoffzellenfahrzeuge. Eigentlich handelt es sich um elektrisch angetriebene Fahrzeuge, wobei der benötigte Strom durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird, wofür wiederum verschiedene Energieträger zum Einsatz kommen können. Einer davon ist der Wasserstoff, dessen Herstellung sich natürlich auf die Ökobilanz auswirkt. Verschiedene Fahrzeughersteller haben schon vor einigen Jahren angekündigt, mit der Serienfertigung verschiedener Fahrzeugtypen mit Brennstoffzellenantrieb zu beginnen. Es gibt mittlerweile auch einige Fahrzeuge, die inzwischen die Serienreife erreicht haben und unter anderem auch in Deutschland verkauft werden. Ein weiteres Anwendungsfeld ist der Bau von Brennstoffzellenbussen, bei denen der Antrieb ebenfalls mithilfe elektrischer Energie erfolgt, die mithilfe einer Brennstoffzelle erzeugt wird. Häufig arbeiten solche Fahrzeuge mit einer Antriebsbatterie als Zwischenspeicher, mit deren Hilfe auch eine Speicherung von elektrischer Energie aus Bremsenergie erfolgt. Inwieweit diese Fahrzeuge ökologisch sinnvoll einzusetzen sind, ist allerdings fraglich. Dies liegt zum einen an der Herstellung des Wasserstoffs, die zum Teil recht hohe Mengen an elektrischer Energie benötigt. Gleiches gilt auch für die Speicherung der künstlich hergestellten Kraftstoffe.

Der Antrieb von Verkehrsmitteln mithilfe von Wasserstoff

Es gibt heute zahlreiche Ansätze für den Antrieb von Verkehrsmitteln mithilfe von Wasserstoff, die in verschiedene Richtungen gehen. All diese einzelnen Verfahren haben Vor- und Nachteile. Leider ist der Umgang mit dem schnell verdampfenden Wasserstoff nicht ganz unproblematisch und zudem nicht ungefährlich. Außerdem ist das Tankstellennetz für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge ist noch relativ klein, der Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen nicht unbedingt als hocheffizient zu bezeichnen. Es bleibt also abzuwarten, welche Art des Wasserstoffantriebs sich in der Zukunft durchsetzen wird, ob nun der Brennstoffzellenantrieb, der Betrieb von Fahrzeugen mit den so genannten E-Fuels oder auch der mit Wasserstoff betriebene Verbrennungsmotor.

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